專利名稱：光纖傳感的波長解調裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型應用于在光纖傳感，特別是光纖布拉格光柵(FBG)傳感中， 凡利用測定光波長變化來確定被傳感量(如溫度、應變等)變化的傳感應用。 屬于光纖傳感中的波長解調裝置。
技術背景在光纖傳感中，有一些傳感是通過光波長的變化來反映被傳感量的變化 的，典型的是FBG。當外界被傳感量，如溫度或應變等發生變化時，由FBG 反射回來的光波長也發生相應的變化，二者存在一定的函數關系。如果測定 了反射光波長的變化，也就測定了欲傳感的物理量的變化，這個過程稱為波 長解調。現有比較成熟的，并實現商用的波長解調裝置是采用法布里一珀羅(F-P) 干涉儀作為濾波器進行波長解調，其工作過程如圖1 (a)所示。寬帶光源1 發出的光經光耦合器2"傳到FBG 3，并有波長很窄的一部分光被反射回來， 反射光的波長隨FBG3周圍被傳感物理量的變化而變化。反射光經耦合器2" 和第一耦合器2到達受壓電陶瓷7控制的F-P濾波器6。鋸齒波發生器8產生 的電壓信號驅動壓電陶瓷7，再帶動F-P濾波器6，對諧振波長進行掃描。當 諧振波長等于FBG 3反射回來的波長時，光又被反射回第一耦合器2，并傳 到第一PIN光電二極管4轉變為電信號。此時，記錄下鋸齒波的瞬時電壓幅 度，就能對應出F-P濾波器6的諧振波長，也就是FBG 3的反射波長，從而 實現波長解調。應該強調指出的是，這種方法測量的是電壓幅度。 一般，幅度量易受外 界因素的干擾，測量精度不高。另外，該裝置比較復雜，價格昂貴，限制了
相應光纖傳感的廣泛應用。
還有一些已報導的波長解調方法，這些方法都沒有進入商用階段，大多 都是將光波長的變化轉變成電信號的幅度變化，同樣存在易受干擾，測量精 度不高的問題。
圖1 (b)是實驗室中常用的用光譜分析儀9直接進行波長解調的方法。 這種方法看起來似乎很簡單，但光譜分析儀9十分昂貴，且龐大、笨重，不 能在實際工程中應用。 發明內容本實用新型的目的是提出一種光纖傳感的波長解調裝置，能夠獲得穩定 及高精度的測量，而且結構簡單，成本低。本實用新型提出的光纖傳感的波長解調裝置，其技術方案為包括將波 長變化的光信號分為光強相等的兩束光的光耦合器2"、互相并接的兩個光纖 環鏡、PIN光電二極管、信號處理電路14、單片機5及顯示器21。環鏡包括 光耦合器，普通光纖，雙折射光纖。第一光纖環鏡由第一光耦合器2及第一 光纖11、長雙折射光纖10、第一偏振控制器12組成的環路構成。第二光纖 環境由第二光耦合器2'及第二光纖11'、短雙折射光纖10'、第二偏振控制器 12'組成的環路構成。由第一、第二環境輸出的光信號分別經第一PIN光電二 極管4、第二PIN光電二極管4'并轉變為電信號，兩個PIN光電二極管接信 號處理電路14，信號處理電路14連接到單片機5上。信號處理電路14包括兩個放大器、兩個比較器。其中，第一放大器18接 PIN光電二極管4將電信號放大，并輸出到上升沿比較器19和下降沿比較器 19'，第二放大器18'接單片機5。長雙折射光纖10為使輸入到第一 PIN光電二極管4的第一透射率曲線a 每納米波長大于5個振動周期的雙折射光纖。
圖3給出了利用雙折射光纖環鏡進行波長解調的原理圖。波長變化的光 信號由端口 15輸入到光耦合器中，在光耦合器的另一端分為強度相等的兩束 光并分別沿順時針方向和逆時針方向繞著由普通光纖、雙折射光纖和偏振控 制器組成的環路傳輸，然后返回耦合器，并同時輸出到PIN光電二極管后轉 變為電信號。電信號的大小反映了兩束光相干涉后光強度的變化，也就是雙 折射光纖環鏡的光強透射率的變化。該透射率的變化是與輸入光波長的變化相關的，其函數關系如圖4所示。可以看出，光透射率隨波長呈周期性變化。理論證明，變化的周期與雙折射光纖的長度近似成反比，也就是波長頻率與 雙折射光纖的長度近似成正比。如果采用較長的雙折射光纖，就可以得到如圖5中a曲線所示的波長頻率變化很快的透射率曲線。在圖5中，設測量時 波長不斷增加，在透射率的上升沿，如16點及下降沿，如17點，我們都進 行計數，這樣計數的多少就對應了波長的大小，也就是通過計數，能夠實現 波長解調。應該特別指出的是，上升沿和下降沿的計數點(如圖5中的16點 和17點)與波長的對應是穩定的，如果由于外界的干擾使透射率的幅度發生 變化，則圖5中曲線的峰值和谷值會發生改變，而計數點與波長的對應值不 會發生改變，所以計數波長解調的方法具有很強的抗干擾能力和很高的測量 精確度。雖然計數的方法具有上述優點，但還需要解決計數增減方向的判斷問題。 在計數過程中，存在兩種情況。 一種情況是當波長連續增加或連續減少時， 透射率上升沿和下降沿都交替出現，計數值應不斷增加或不斷減少。另一種 情況是當波長值先增后減或先減后增時，透射率上升沿和下降沿也都會交替 出現，這種情況的計數方向應是先增后減或先減后增。如何從相同的上升沿 和下降沿交替出現的現象中正確判斷上述兩種情況，使計數值與波長值能正 確對應是計數解調方法的關鍵問題。前面談到過，光纖環鏡透射率的波長周
期與雙折射光纖的長度近似成反比。采用很短的雙折射光纖，另外制作一個 光纖環鏡，使其透射率曲線在測量波長范圍內不能完成半個振動周期，這樣， 在測量波長范圍內，曲線隨波長的增減就是單調的了。利用長雙折射光纖環 鏡計數，同時利用短雙折射光纖環鏡判斷計數增減方向。判斷的方法是測量 并比較相鄰兩次計數時的短雙折射光纖的透射率幅度值，由于透射率曲線隨 波長的變化是單調的，所以很容易判斷波長的增減方向，從而正確調整計數 的增減方向。應該說明的是，雖然這里采用了測量透射率幅度的方法，但只 是在短時間內定性地判斷相鄰兩次計數時刻的幅度大小，并沒有記錄幅度的 絕對值，所以，幅度量的不穩定性不會在這里造成什么影響。本實用新型能夠獲得穩定及高精度的測量，而且結構簡單，成本低。
圖1 (a):采用法布里一珀羅(F-P)干涉儀作為濾波器進行波長解調的裝置圖1 (b):采用光譜分析儀直接進行波長解調的裝置 圖2:由雙光纖環鏡構成的傳感器計數光波長解調結構 圖3:利用雙折射光纖環鏡進行光纖傳感波長解調的原理圖 圖4:雙折射光纖環鏡透射率隨輸入光波長變化的函數關系圖5:長雙折射光纖和短雙折射光纖分別構成的光纖環鏡的輸出光強(與透射 率成正比)隨輸入光波長變化的函數關系 圖6:單片機控制的電路處理系統結構 圖7:單片機程序流程圖圖中，l一寬帶光源，2 —第一光耦合器，2' —第二光耦合器，2" —光耦合 器，3—FBG， 4一第一PIN光電二極管，4，一第二PIN光電二極管，5 —單片 機，6—F-P濾波器，7 —壓電陶瓷，8 —鋸齒波發生器，9一光譜分析儀，10 一長雙折射光纖，IO，一短雙折射光纖，ll一第一光纖，ll，一第二光纖，12 — 第一偏振控制器，12，一第二偏振控制器，13 —硬紙筒，14 —信號處理電路， 15 —光輸入端口， 16 —上升沿上的點，17—下降沿上的點，18 —第一放大器， 18，一第二放大器，19一上升沿比較器，19，一下降沿比較器，20—基準電壓， 21 —顯示器。
具體實施方式
以下結合附圖具體說明本實用新型的優選實施例。根據本實用新型提出的方法所設計的光纖傳感的波長解調裝置參見圖2， 為進行FBG傳感波長解調的實驗結構圖。包括將波長變化的光信號分為光強 相等的兩束光的光耦合器2"、兩個類似的光纖環鏡并接、PIN光電二極管、 電路控制系統15、單片機5及顯示器23。環鏡包括光耦合器，普通光纖，雙 折射光纖。第一光纖環鏡由第一光耦合器2及第一光纖11、長雙折射光纖10、 第一偏振控制器12組成的環路構成。第二光纖環境由第二光耦合器2'及第二 光纖11'、短雙折射光纖10'、第二偏振控制器12'組成的環路構成。由第一、 第二環境輸出的光信號分別經第一 PIN光電二極管4、第二 PIN光電二極管4' 轉變為電信號，兩個PIN光電二極管接信號處理電路14，信號處理電路14 連接到單片機5上。信號處理電路14包括兩個放大器、兩個比較器。其中，第一放大器18接 PIN光電二極管4將電信號放大，并輸出到上升沿比較器19和下降沿比較器 19'，第二放大器18'接單片機5，參見圖6。第一 PIN光電二極管4和第二 PIN光電二極管4'分別將長雙折射光纖環 鏡和短雙折射光纖環鏡輸出的光信號轉變為電信號，再分別經第一放大器18 和第二放大器18，進行放大。第一放大器18的輸出信號同時送給上升沿比較 器19和下降沿比較器19，，基準電壓20作為兩個比較器的比較電壓值。當 信號電壓上升或下降越過基準電壓時，兩個比較器分別會輸出計數信號，單
片機5接收到該信號后會進行加1或減1運算。判斷加運算還是減運算的方 法是，單片機先后收到兩個比較器送來的計數信號時，分別先后將放大器18'送來的信號進行兩次A/D轉換，然后將兩次轉換的值進行比較，由短雙折射光纖環鏡輸出光強的單調性，可確定是進行加1運算還是進行減1運算。單片機可將計數的結果轉換為對應的波長值，并驅動顯示器21將波長值顯示出 來。單片機控制的流程圖參見圖7。本實施例的雙折射光纖環鏡的長雙折射光纖10的長度為30米，將其繞 在一個硬紙筒13上。短雙折射光纖環鏡的短雙折射光纖10'的長度為0.05米。 每個環鏡都有一個光耦合器分別為第一光耦合器2和第二光耦合器2'及一個 繞有3圈普通光纖的第一偏振控制器12和第二偏振控制器12'。兩個環鏡的 輸入端并接，共同接收傳感器送來的波長變化的信號。它們的輸出端分別通 過兩個PIN光電二極管，將光信號轉換為電信號，并送給單片機5，由單片機 5通過信號處理電路14對信號進行處理及計數。利用圖2的裝置，我們在1530nm到1570nm波長范圍內，對FBG 3的傳 感信號進行了波長解調，其波長分辨率可達0.067nm。
權利要求1、光纖傳感的波長解調裝置，其特征在于包括將波長變化的光信號分為光強相等的兩束光的光耦合器(2”)、互相并接的兩個光纖環鏡、PIN光電二極管、信號處理電路(14)、單片機(5)及顯示器(21)；其中，第一光纖環鏡由第一光耦合器(2)及第一光纖(11)、長雙折射光纖(10)、第一偏振控制器(12)組成的環路構成；第二光纖環境由第二光耦合器(2’)及第二光纖(11’)、短雙折射光纖(10’)、第二偏振控制器(12’)組成的環路構成；第一、第二環境分別接第一PIN光電二極管(4)、第二PIN光電二極管(4’)，它們將光信號轉變為電信號；兩個PIN光電二極管、信號處理電路(14)、單片機(5)、顯示器(21)依次連接；其中的短雙折射光纖為使輸入到第二PIN光電二極管(4’)的第二透射率曲線小于半個振動周期的雙折射光纖。
2、 根據權利要求1所述的光纖傳感的波長解調裝置，其特征在于信號 處理電路(14)包括兩個放大器、兩個比較器，其中，第一放大器(18) 接PIN光電二極管(4)將電信號放大，并輸出到上升沿比較器(19)和下 降沿比較器(19,)，第二放大器(18，)接單片機(5)。
3、 根據權利要求1所述的光纖傳感的波長解調裝置，其特征在于長雙 折射光纖(10)為使輸入到第一PIN光電二極管(4)的第一透射率曲線a 每納米波長大于5個振動周期的雙折射光纖。
專利摘要光纖傳感的波長解調裝置，屬于光纖傳感中的波長解調裝置。包括耦合器(2”)、互相并接的兩個光纖環鏡、PIN光電二極管、信號處理電路(14)、單片機(5)及顯示器(21)。其中，第一光纖環鏡由第一光耦合器(2)及第一光纖(11)、長雙折射光纖(10)、第一偏振控制器(12)組成的環路構成；第二光纖環境由第二光耦合器(2’)及第二光纖(11’)、短雙折射光纖(10’)、第二偏振控制器(12’)組成的環路構成；第一、第二環境分別接第一PIN光電二極管(4)、第二PIN光電二極管(4’)。兩個PIN光電二極管、信號處理電路、單片機、顯示器依次連接。本裝置能夠獲得穩定及高精度的測量，而且結構簡單，成本低。
文檔編號G02F1/00GK201028975SQ20062017281
公開日2008年2月27日 申請日期2006年12月29日 優先權日2006年12月29日
發明者何士雅, 胡曙陽, 趙啟大 申請人:北京工業大學